Miten laajakaista-antennien avulla voidaan käyttää sekä aikaisempia verkkoja että langattomia 5G-IoT-verkkoja?

Hyvin esillä olevien kuluttajaälypuhelinten ohella 5G-pohjaiset langattomat linkit on tarkoitettu erilaisiin sulautettuihin sovelluksiin, kuten esineiden internet (IoT), M2M (machine-to-machine) -linkit, älykäs sähköverkko, myyntiautomaatit, yhdyskäytävät, reitittimet, tietoturva ja etävalvontayhteydet. Siirtyminen 5G:hen ei kuitenkaan tapahdu yhdessä yössä. Sen vuoksi langattoman tietoliikennelinkin etuasteeseen tarvitaan antenneja, jotka voivat täyttää samanaikaisesti sekä 5G:n että vanhojen 2G-, 3G- ja muiden linkkien tarpeet, koska nämä pysyvät käytössä vielä vuosia, vaikka 5G yleistyykin.

Näistä syistä insinöörien on suunniteltava tuotteita 5G-standardeja tukevien kaistojen lisäksi myös muita kaistoja varten. Silloinkin kun sisäinen RF-etuaste tai tehovahvistin on kullakin taajuudella erilainen, siitä on hyötyä, että yksi ainut laajakaista-antenni palvelee sekä 5G- että aikaisempia taajuuksia.

Tässä artikkelissa tarkastellaan laajakaista-antenneja, jotka käyttävät sekä matalampaa 5G-spektriä että aikaisempia taajuuksia. Ne esitellään käyttämällä valmistajan Abracon LLC antenneja esimerkkinä. Artikkelissa osoitetaan, miten tämäntyyppisten antennien käyttö – joko näkyvinä ulkoisina tai sisäisinä sulautettuina yksikköinä – voi helpottaa suunnittelua, vähentää tarvittavia osia sekä helpottaa 5G-päivityksen asennusta tarvittaessa.

Aloita säännellyiltä kaistoilta

Antennit ovat RF-lähetyssignaalipolun viimeinen elementti ja vastaavasti vastaanotinpolun ensimmäinen elementti. Antennin tehtävänä on toimia muuntimena virta- ja jännitepiirien maailman ja säteilyenergian ja sähkömagneettisten kenttien RF-maailman välillä.

Kun kohdesovellukseen valitaan antennia, on tärkeää pitää mielessä, että antenni toimii riippumatta siitä, minkä tyyppistä modulaatiota tai teollisuusstandardia varten sitä käytetään. Mikään antennin valinnassa käytetyistä parametreista – kuten keskitaajuus, kaistanleveys, vahvistus, nimellisteho tai fyysinen koko – ei riipu siitä, käytetäänkö antennia amplitudi-, taajuus- tai vaihemodulaatiosignaaleille (AM, FM, PM) vai 3G-, 4G-, 5G- tai jopa valmistajakohtaisille signaalimuodoille.

5G-standardeja tukevien uusien sovellusten järjestelmäsuunnitteluun kiinnitetään luonnollisesti paljon huomiota, erityisesti alle 6 gigahertsin (GHz) 5G-taajuuksilla, joilla suurin osa 5G-toiminnasta tapahtuu. On tärkeää erottaa toisistaan järjestelmän tukema langaton standardi sekä antennin valinnan ratkaiseva käyttötaajuus ja -spektri.

Uusissa 5G-standardeissa hyödynnetään spektrisegmenttejä, joita ei aiemmin ollut käytettävissä, ja ne sisältävät jo käytössä oleviin spektreihin suoritustehoa parantavia korkeamman tason modulointimenetelmiä. Teollisuuden ja operaattoreiden tuki eräille olemassa oleville standardeille lakkaa asteittain, kuten 3G:lle vuodesta 2022 alkaen. Joitakin 3G:n käyttämiä taajuusalueita käytetään kuitenkin edelleen 4G:ssä ja jopa 5G:ssä (kuva 1).

Kuva 1: Taajuudet 600–6000 MHz tukevat useita standardeja (kuten 3G, 4G ja 5G), ja taajuusalueet ovat osittain päällekkäisiä. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Tämä tarkoittaa, että 3G- tai 4G-kaistoja tukevat antennit voivat edelleen olla käyttökelpoisia myös 5G:ssä ja päinvastoin. Standardi voi olla vanhentunut, mutta sen antenni ei ole, ja antennien yhteensopivuus eteenpäin/taaksepäin on mahdollista. Kussakin näistä tapauksista useita standardeja ja kaistoja tukeva antennien uudelleenkäyttö on käytännöllinen ja usein toivottava ratkaisu.

Muita tärkeitä standardeja 600 megahertsin (MHz) ja 6 GHz:n välisellä RF-taajuuskaistalla ovat:

• CBRS (Citizens Broadband Radio Service), vähän säädelty 150 MHz leveä segmentti taajuusalueella 3550–3700 MHz (3,5–3,7 GHz). Yhdysvalloissa liittovaltion viestintäkomissio (Federal Communications Commission, FCC) on nimennyt tämän palvelun kolmen käyttäjäryhmän yhteiseen käyttöön: vakiintuneet käyttäjät, PAL (Priority Access License) -käyttäjät ja GAA (General Authorized Access) -käyttäjät.
• LTE-M, lyhenne sanoista LTE Cat-M1 (usein CAT M) tai Long-Term Evolution (4G), luokka M1. Tämän teknologian avulla lyhyttä käyttöjaksoa käyttävät akkukäyttöiset IoT-laitteet voivat muodostaa yhteyden suoraan 4G-verkkoon ilman yhdyskäytävää.
• Narrowband-IoT (NB-IoT) on 3G-teknologian piiriin kuuluva solutasoinen langaton tekniikka, joka käyttää ortogonaalista taajuuskanavointia (OFDM). Se on 3GPP:n (3rd Generation Partnership Project) – matkaviestinjärjestelmien standardoinnin taustalla olevan organisaation – aloite. Tällä aloitteella pyritään vastaamaan sellaisten erittäin alhaisen datanopeuden laitteiden tarpeisiin, joiden täytyy muodostaa yhteys matkaviestinverkkoihin ja joiden virtalähteenä käytetään myös usein akkuja.

Huomautus laajakaista- ja monikaistaterminologiasta, koska se voi aiheuttaa sekaannuksia ja epäselvyyksiä. ”Laajakaista” viittaa antenniin, jonka kaistanleveys on korkea sen keskitaajuuteen nähden. Vaikka tälle luvulle ei ole olemassa virallista määritelmää, se tarkoittaa epävirallisesti yleensä kaistanleveyttä, joka kattaa vähintään 20–30 prosenttia keskitaajuudesta. ”Monikaista” tarkoittaa sitä vastoin antennia, joka on suunniteltu tukemaan kahta tai useampaa säänneltyä standardeissa määriteltyä kaistaa. Nämä kaistat voivat olla lähekkäin tai kaukana toisistaan.

Äärimmäinen esimerkki monikaista-antennista on samanaikaisesti AM- (550–1550 kHz) ja FM (88–108 MHz) -lähetysalueilla toimiva antenni. Monikaista-antenni voi olla laajakaistainen, mutta tämä ei ole välttämätöntä.

Monikaista-antennilla on vain yksi RF-liitäntä riippumatta sen tukemien kaistojen määrästä, väleistä ja kaistanleveyksistä, vaikka se voi sisäisesti koostua kahdesta tai useammasta erillisestä yhdistetystä antennista. Toisin kuin yksinkertaisemmassa laajakaista-antennissa, monikaista-antennin vahvistuskaistassa voi olla tarkoituksellisesti aukkoja sen kokonaiskaistanleveydellä yhteiskanavahäiriöiden minimoimiseksi.

Sisäinen tai ulkoinen antenni

Langattoman yhteyden standardi, johon antennia käytetään, ei varsinaisesti liity antennin suunnitteluun. Sen sijaan taajuus ja kaistanleveys ovat ehdottomasti sellaisia ominaisuuksia, jotka on tärkeä ottaa huomioon antennin fyysisessä toteutuksessa. Yksi tärkeä suunnitteluun liittyvä näkökohta on halutaanko käyttää ulkoista vai lopputuotteeseen sulautettua antennia.

Sisäiset antennit tarjoavat seuraavia ominaisuuksia:

• Ne mahdollistavat sulavalinjaisemman kotelon, jossa ei ole ulkoisia osia, jotka voivat rikkoutua tai tarttua kiinni.
• Sulautettu antenni on aina kytketty ja käytettävissä.
• Niillä on luontaisia rajoituksia kantaman, tehokkuuden, säteilykuvioiden ja muiden suorituskykykriteerien suhteen.
• Lähellä sijaitsevat piirit vaikuttavat sulautetun antennin suorituskykyyn, joten sen sijoitukseen vaikuttavat piirikortin koko, layout, komponentit ja yleinen asettelu.
• Käyttäjän käsi tai vartalo voivat aiheuttaa muutoksia antennikuvioon, tehokkuuteen ja suorituskykyyn.

Ulkoiset antennit tarjoavat sen sijaan seuraavia ominaisuuksia:

• Ne tarjoavat enemmän mahdollisuuksia säteilykuvioiden, kaistanleveyden ja vahvistuksen räätälöintiin, koska ne mahdollistavat suuremman suunnitteluvapauden.
• Niitä ei tarvitse kiinnittää IoT/RF-yksikköön. Ne voidaan sijoittaa optimaalisesti lyhyen etäisyyden päähän koaksiaalikaapelin avulla.
• Tuotteen rakenteen ja koteloinnin sähköiset ominaisuudet vaikuttavat niihin vähemmän tai eivät vaikuta niihin lainkaan.
• Niitä on saatavana useina eri malleina ja konfiguraatioina.
• Ne vaativat liittimen tai kaapelin kiinnitystä varten, mikä kasvattaa vikaantumisriskiä.

Valinta ulkoisen ja sisäisen antennin välillä tehdään yleensä useiden tekijöiden perusteella. Niihin kuuluvat lopputuotteen käyttökohde ja käyttäjän mieltymykset. Huomioon on otettava myös suorituskyky ja se, käytetäänkö antennia liikkuvassa vai kiinteässä tilanteessa. Esimerkiksi ulkoisella antennilla varustettua älypuhelinta voitaisiin pitää epäkäytännöllisenä. Sen sijaan kiinteästi asennettu IoT-solmu, joka käyttää ulkoista ja kenties hieman etäämmälle sijoitettua antennia, saattaa tarjota paremman ja yhteensopivamman yhteyden.

Monikaista-antennin edut

Monikaista-antennit voivat täyttää nykyisten sovellusten tarpeet ja samalla tarjota päivitysvarmuuden tulevaisuutta varten, 5G-yhteydet mukaan lukien. Mutta miksi harkita tällaista antennia, jos asennusparametrit ja -spesifikaatiot ovat jo tiedossa? Siihen on useita hyviä syitä:

• Samaa antennia voidaan käyttää eri taajuuskaistoille suunnatuissa tuoteperheissä, mikä yksinkertaistaa varastonhallintaa ja hankintoja.
• Sisäinen monikaista-antenni voi pienentää kotelon kokoa, kun taas ulkoinen antenni vie kotelosta yhden antenniliittimen.
• Monikaista-antennia voidaan käyttää IoT-laitteessa, joka voidaan päivittää uudelle kaistalle (kuten 5G) tai joka odottaa tällaista päivitystä joko suorituskykysyiden tai nykyisen taajuuden ja standardin päättymisen vuoksi
• Yksi ulkoinen monikaista-antenni ei vaadi useita erilaisia asennustekniikoita ja -työkaluja.
• Kriittisissä kiinteissä ja erityisesti mobiilisovelluksissa laitteen RF-osa voi tarjota kaksikaistatuen, jolloin laite voi vaihtaa dynaamisesti kaistalta toiselle optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi tietyssä paikassa tai ympäristössä.
• Suunnittelijat voivat käyttää yhtä sisäistä monikaista-antennia toisistaan riippumattomissa laitteissa. He voivat hyödyntää samalla kokemustaan antennin mallinnuksessa, sijoittelussa ja mahdollisissa tuotanto-ongelmissa

Esimerkkejä käytössä olevista monikaista-antenneista

Laajakaistaisesta suorituskyvystään huolimatta monikaista-antenneilla ei ole koon tai liitäntätyypin asettamia rajoituksia, mikä osoitetaan kolmen esimerkin avulla.

AEBC1101X-S on matkapuhelimiin tarkoitettu 5G/4G/LTE-piiska-antenni, jonka pituus on 115 millimetriä (mm) ja suurin halkaisija 19 mm. Se on suunniteltu taajuusalueelle 600 MHz – 6 GHz (kuva 2). Se sisältää vakiomallisen SMA-urosliittimien, jota voidaan kiertää 90°. Tällä se voidaan asentaa suoraan tuotekoteloon (etäisyyttä voidaan jatkaa koaksiaalikaapelilla). Saatavana on myös käänteisen polariteetin SMA-liitin.

Kuva 2: Matkapuhelimiin tarkoitettu 5G/4G/LTE-piiska-antenni AEBC1101X-S on suunniteltu taajuusalueelle 600 MHz – 6 GHz ja se tarjoaa SMA-koaksiaaliliittimen, joka kääntyy 90°. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Sen jännitteen VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) -arvo ja huippuvahvistusteho ovat varsin tasaiset koko taajuuskaistalla, vaikka hyötysuhteessa on eroa alemman ja ylemmän taajuusalueen välillä (kuva 3).

Kuva 3: Matkapuhelimiin tarkoitetun 5G/4G/LT-piiska-antennin AEBC1101X-S suorituskyvyn muutokset ovat vähäisiä alapään (600–960 MHz) ja yläpään (1400–6000 MHz) välillä. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Säteilykuvio on varsin pyöreä koko taajuuskaistalla. Taajuudella 3600 MHz alkaa syntyä joitakin pieniä keiloja, jotka näkyvät hieman selkeämmin taajuudella 5600 MHz (kuva 4).

Kuva 4: Piiska-antennin AEBC1101X-S X-Y-säteilykuvio muuttuu taajuusalueella 3600–5600 MHz, ja siihen ilmestyy joitakin keiloja. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Myös 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT-lapa-antenni AECB1102XS-3000S on tarkoitettu käyttöön taajuusalueella 600 MHz – 6 GHz. Se on 115,6 mm pitkä ja 21,7 mm leveä ja profiililtaan erittäin kapea, vain 5,8 mm (kuva 5). Tämä malli suunniteltu niin, että se on helppo ja kätevä asentaa teipillä tasaiselle pinnalle.

Kuva 5: Myös 5G/4G/LTE/NBIOT/CA-lapa-antenni AECB1102XS-3000S on tarkoitettu taajuusalueelle 600 MHz – 6 GHz. Se on matalaprofiilinen antenni, joka on helppo ja kätevä kiinnittää teipillä tasaiselle pinnalle. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Sen RF-suorituskyky on samankaltainen kuin piiska-antennilla AEBC1101X-S ja sen VSWR-arvo on alle 3,5. Vahvistuksen huippuarvo on 2 desibelillä isotrooppista antennia alhaisempi (dBi). Myös sen säteilykuvio on X-Y- ja X-Z-tasossa kompleksisempi (kuva 6).

Kuva 6: Lapa-antennin AECB1102XS-3000S X-Z- ja Y-Z-säteilykuvioissa on piiska-antennia kompleksisempia keiloja. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Piiska-antennin AEBC1101X-S ja lapa-antennin AECB1102XS-3000S tarjoamissa liitännöissä on huomattava ero. Lapa-antenni AECB1102XS-3000S sisältää vakiovarusteena 1 metrin (m) LMR-100-koaksiaalikaapelin (tämä korvaa kaapelityypit RG174 ja RG316), jonka päässä on yleinen SMA-urosliitin. Kaapeleita voidaan kuitenkin tilata lähes millä tahansa pituudella ja vakiovaihtoehdot sisältävät SMA-liittimien ohella myös muita liitintyyppejä. Tämä lisää liittämisen joustavuutta (kuva 7).

Kuva 7: Lapa-antennin AECB1102XS-3000S vakiokoaksiaalikaapeli on varustettu SMA (M) -liittimellä, mutta tarjolla on myös monia muita liitinvaihtoehtoja. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Taajuusalueelle 600–6000 MHz tarkoitettu laajakaistainen keraaminen siruantenni ACR4006X on pintaliitoskomponentti, jonka mitat ovat vain 40 × 6 × 5 mm. Se vaatii käytössä pienen LC-tyyppisen (induktori-kondensaattori) impedanssin sovituspiirin, joka koostuu 8,2 nanohenryn (nH) induktorista ja 3,9 pikofaradin (pF) kondensaattorista (kumpikin kokoa 0402) halutun 50 ohmin (Ω) impedanssin saavuttamiseksi (kuva 8).

Kuva 8: Taajuusalueelle 600–6000 MHz tarkoitetun laajakaistaisen keraamisen siruantennin ACR4006X pinta-ala on vain 40 × 6 mm. Se tarvitsee vain kaksi pientä passiivista komponenttia 50 Ω:n impedanssia varten. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Siruantennin ACR4006X teknisissä tiedoissa ilmoitetaan, että se on taajuusalueelle 600–6000 MHz tarkoitettu laite. On kuitenkin huomattava, että sen hyötysuhteen, huippuvahvistuksen ja keskimääräisen vahvistuksen kuvaajissa on joitakin aukkoja (kuva 9). Se on tarkoituksellista, sillä tämä monikaista-antenni on suunniteltu ja optimoitu toimimaan kolmella tietyllä kaistalla tällä alueella: 600–960 MHz, 1710–2690 MHz ja 3300–6000 MHz 3G-, 4G- ja 5G-alueiden sekä joidenkin pienempien spektrialueiden tukemiseksi.

Kuva 9: Siruantennin ACR4006X hyötysuhde- ja vahvistuskäyrät sisältävät aukkoja taajuusalueella 600–6000 MHz. Aukoilla on kuitenkaan tuskin merkitystä käyttäjille, koska ne eivät ole 3G-, 4G- ja 5G-kaistoilla. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Koska siruantennia ACR4006X ei ole tarkoitettu GPS-vastaanottimia varten, sen suorituskykyä ei ole eritelty GPS-kantoaaltotaajuuksilla 1575,42 MHz (L1-kantoaalto) ja 1227,6 MHz (L2-kantoaalto).

Siruantennin ACR4006X X-Y-säteilykuvio on myös taajuudesta riippuvainen, mutta se säilyttää silti suunnilleen pyöreän muodon laajalla kaistalla. Sen alemmalla taajuusalueella on vain muutama vähäinen vahvistuksen lasku suunnissa 90° ja 270° (kuva 10).

Kuva 10: Siruantennin ACR4006X X-Y-säteilykuvio on suunnilleen ympyränmuotoinen, mutta siinä on joitakin taajuudesta riippuvaisia vahvistuksen laskuja suunnissa 90° ja 270°. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Antennin suorituskyvyn arviointi aloitetaan teknisistä tiedoista, minkä jälkeen ne varmistetaan usein kaiuttomassa kammiossa. Lopuksi tehdään kenttätestejä lopputuotteella. Ulkoisen antennin todelliseen suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä ovat kotelo, mobiililaitteiden yhteydessä käyttäjän vartalo ja kädet sekä antennin sijainti. Siihen ei paljon vaikuta tuotteen sisäisen piirikortin layout.

Sitä vastoin sisäisen yksikön, kuten siruantennin ACR4006X, suorituskykyyn vaikuttavat sen lähellä sijaitsevat komponentit ja piirikortti. Tästä syystä Abracon tarjoaa evaluointikortin ACR4006X-EVB, joka helpottaa tämän siruantennin teknistä evaluointia.

Korttia käytetään yhdessä vektoriverkkoanalysaattorin (VNA) kanssa. Konfiguraation alkukalibroinnin jälkeen – joka on vakiovaihe useimmissa VNA-testeissä – antennin suorituskyky arvioidaan vektoriverkkoanalysaattorin kalibroidun portin kautta käyttämällä kortilla sijaitsevaa SMA-liitintä.

Evaluointikortin koko on 120 × 45 mm, ja se on mitoitettu tarkasti siruantennin optimaalista sijoittamista varten. Tähän kuuluu antennia ympäröivä 45 × 13 mm:n alue, jolla ei ole metallia eikä maapotentiaalia. Tämä on välttämätön antennin asianmukaista toimintaa varten (kuva 11).

Kuva 11: Evaluointikortin ACR4006X-EVB koko on vain 120 × 45 mm. Se helpottaa siruantennin evaluointia kortilla olevan SMA-liittimen kautta. Teknisissä tiedoissa näkyvät kriittiset layout-alueet ja mitat. (Kuvan lähde: Abracon LLC)

Yhteenveto

Monikaista-antennit täyttävät IoT-laitteiden haasteet – erityisesti sellaisten, joiden täytyy nykyään tukea vain yhtä kaistaa. Ne tarjoavat samalla sujuvamman tavan päivittää uusiin standardeihin, kuten 5G. Näiden antennien ansiosta järjestelmä voi tukea useita kaistoja suorituskyvyn optimoimiseksi vyöhykkeillä, joilla yhteys ei ole taattua yhdellä ainoalla kaistalla. Kuten edellä on osoitettu, Abraconin piirikortille asennettavat sisäiset antennit mahdollistavat sulavalinjaisemman kotelon. Integroitua RF-liitintä tai koaksiaalikaapelikiinnitystä käyttävät ulkoiset antennit tarjoavat puolestaan joustavuutta sijoitteluun optimaalista signaalipolkua varten.